ANEXO 8 ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA DE GAS

Transcripción

1 ANEXO 8 ESUDIO DEL FUNCIONAMIENO DE UNA URBINA DE GAS CONCEPOS GENERALES La turbina de gas más sencilla que podamos imaginar es la denominada de ciclo abierto simple, y está representada en la figura A.8.. esta consta de los siguientes elementos: A. Compresor de aire. B. Cámara de combustión. C. urbina. D. Dispositios auxiliares: lubricación, regulación de elocidad, alimentación de combustible, puesta en marcha, etc. Figura A.8.. urbina de gas Brown Boeri de ciclo abierto simple []. El aire atmosférico aspirado por el compresor alimenta la cámara de combustión a una presión que puede ser, según el tipo de máquina, de 5 a 8 08

2 atmósferas. En la cámara de combustión, se inyecta combustible de forma continua, por medio de una bomba adecuada. La combustión, que se inicia eléctricamente durante el arranque, continúa a presión constante, con temperaturas que alcanzan de 650 a 750 C. El gas obtenido se expansiona sobre el rotor de la turbina y sobre el rotor del compresor, es decir, que este gas suministra la potencia necesaria para la compresión y la potencia útil en el árbol de la turbina, aliendo esta ultima solamente un tercio de la potencia total desarrollada. CICLO DE LA URBINA DE GAS El ciclo teórico de funcionamiento de la turbina de gas es el ciclo a presión constante, denominado ciclo Brayton. En la figura A.8.. se ha representado esquemáticamente una turbina de gas de ciclo simple y en la figura A.8.3. su ciclo de funcionamiento en un diagrama entrópico. Figura A.8.. Representación esquemática de una turbina de gas de ciclo abierto simple. C Compresor. CC Cámara de combustión. urbina. A Alternador []. 09

3 Figura A.8.3. Diagrama entrópico del ciclo abierto simple []. El aire entra al compresor a la presión atmosférica y es comprimido adiabáticamente desde el punto al punto del diagrama. En el punto comienza la combustión, que tiene lugar a presión constante desde el punto al punto 3 del diagrama, con introducción de una cierta cantidad de calor Q, que produce un aumento en el olumen del fluido. La expansión es adiabática y se produce a traés de los conductos de la turbina, según la línea adiabática 3 4. En el punto 4, los gases se descargan al exterior o bien, eentualmente refrigerados a presión constante, según la línea 4, uelen al estado inicial para reiniciar el ciclo. Por lo tanto, y de acuerdo con lo dicho, en este diagrama tendremos: rabajo de compresión Calor introducido Q 3 rabajo de expansión 3 4 Calor deuelto Q 4 0

4 En el diagrama dinámico de la figura A.8.4. tenemos que el trabajo del compresor (figura A.8.4.a) es la superficie comprendida entre los puntos. El aire entra a la presión atmosférica (punto ) y a aumentando de olumen hasta el punto. Aquí sufre una condición adiabática, según la, línea y, a partir del punto se expansiona en la cámara de combustión, hasta el punto. Este trabajo en el compresor ale: τ c C p ( ) Figura A.8.4. Representación del ciclo abierto simple en el diagrama dinámico. a) rabajo del compresor. b) rabajo de la turbina. c) rabajo útil []. El trabajo total realizado por la turbina está indicado en la figura A.8.4.b y representado por la superficie comprendida entre 3 4. En 3 es decir, a la entrada de la turbina, el gas se expansiona adiabáticamente hasta 4 (salida de la turbina). El trabajo en la turbina ale: τ t C p ( ) 3 4

5 Donde C p : calor específico a presión constante. El trabajo útil será, naturalmente la diferencia entre el trabajo total y el trabajo necesario para el compresor, es decir, según la figura A.8.4.c la superficie comprendida entre 3 4. ( ) 4 3 C p t + τ La expresión general del rendimiento ideal de un motor térmico es: Q Q Q ε η Como hemos isto en nuestro caso 3 Q 4 Q Sustituyendo y reacomodando la ecuación tenemos 3 4 ε η 3 4 ε η

6 3 Según la figura A.8.4. para la transformación adiabática de compresión entre y tendremos γ Pero según la misma figura, tenemos que 4 3 Y por lo tanto 3 4 γ γ O lo que es lo mismo Con lo que la expresión del rendimiento ideal queda simplificada así ε η

7 4 O bien γ η ε De la termodinámica tenemos que γ p p Y sustituyendo en la expresión anterior γ γ ε η p p Llamaremos grado de compresión, a la relación p p β Y sustituyendo en la expresión anterior tendremos, finalmente γ γ ε β η η ε : rendimiento de la turbina. β: relación de compresión.

8 p p β (4.5) urbina de gas con regeneración Un procedimiento utilizado para mejorar el rendimiento de una turbina de gas, consiste en recuperar parte del calor perdido en los gases de escape a alta temperatura. Para ello se utilizan uno o arios regeneradores o intercambiadores de calor entre la salida del compresor y la entrada de la cámara de combustión, calentándose el aire por la acción de los gases de escape de la turbina. Figura A.8.5. Representación esquemática de una turbina de gas de ciclo abierto con regeneración. C Compresor. CC Cámara de combustión. urbina. IC Intercambiador de calor. A Alternador []. urbina con refrigeración y regeneración ambién puede aumentarse el rendimiento de la turbina de gas, refrigerando el aire de salida del compresor e inyectándolo en otro compresor de alta presión; los 5

9 interrefrigeradores trabajan a contracorriente y, por lo general, las turbinas correspondientes son de dos o más ejes y están proistas también de regeneradores. Figura A.8.6. Representación esquemática de una turbina de gas de ciclo abierto con refrigeración y regeneración. CBP Compresor de baja presión. CAP Compresor de alta presión. BP urbina de baja presión. AP urbina de alta presión. CC Cámara de combustión. IC Intercambiador de calor. RI Refrigerador intermedio. E Engranaje de reducción. A Alternador []. urbina de gas con refrigeración, regeneración y recalentamiento Aun puede aumentarse mas el rendimiento de una turbina de gas si se aproecha el calor de los gases de escape, introduciéndolos en una nuea cámara de combustión a cuya salida accionan una nuea turbina de baja presión. 6

10 Figura A.8.7. Representación esquemática de una turbina de gas de ciclo abierto con refrigeración, regeneración y recalentamiento. CBP Compresor de baja presión. CAP Compresor de alta presión. BP urbina de baja presión. AP urbina de alta presión. CC Camara de combustión de alta presión. CC Camara de combustión de baja presión. IC Intercambiador de calor. RI Refrigerador intermedio. E Engranaje de reducción. A Alternador []. urbina de gas de ciclo cerrado En la turbina de gas de ciclo cerrado se recircula prácticamente todo el agente de transformación, de forma continua. El calor procedente del calentador de alta temperatura, que sustituye a la cámara de combustión, o de un reactor nuclear se transmite a la turbina; los gases de escape de esta se refrigeran antes de introducirlos nueamente en el compresor, a la salida del cual se introduce nueamente en la cámara de combustión. 7

11 Figura A.8.8. Representación esquemática de una turbina de gas de ciclo cerrado. C Compresor. urbina. CA Calentador de alta temperatura. PR Refrigerador preio. E Engranaje de reducción. A Alternador []. En el ciclo cerrado pueden emplearse otros gases, además del aire, como helio, anhídrido carbónico y nitrógeno, lo que representa una especial entaja con una fuente de calor nuclear. Las otras entajas del ciclo cerrado son: A. Limpieza del fluido agente. B. Regulación de la presión y de la composición del fluido agente. C. Eleada presión del fluido agente. D. Rendimiento constante para amplias ariaciones de carga. El mayor inconeniente de la turbina de gas de ciclo cerrado es el eleado coste y dimensiones del calentador de alta temperatura. 8

12 ELEMENOS PRINCIPALES DE LA URBINA A GAS una turbina a gas. A continuación estudiaremos los órganos más importantes que constituyen Compresor El compresor de una turbina de gas puede ser centrífugo y axial. El compresor centrífugo (figura 4.8.) está compuesta por dos elementos principales: el rotor G y el difusor D. El aire entra por A y es acelerado en los conductores comprendidos entre las paletas del rotor; en el difusor la energía cinética se transforma gradualmente en energía de presión. El grupo rotor difusor constituye una de los saltos del compresor. Figura A.8.9. Compresor centrífugo. G Rotor. D Difusor. A Entrada de aire []. En las turbinas de gas para centrales térmicas, el compresor centrífugo, generalmente está constituido por arios saltos, lo que permite la instalación de interrefrigeradores que mejoran el rendimiento de la instalación, al reducir la temperatura del aire entre una y otra compresión. 9

13 ambién los elementos principales del compresor axial (figura 4.9.) son el rotor G y el difusor D. tanto el rotor como el difusor están constituidos por una corona de paletas radiales con perfil de ala. Las paletas del rotor están fijadas a un disco o tambor rotatio, mientras que las del difusor lo están a la cubierta exterior. Figura A.8.0. Compresor axial. G Rotor. D Difusor []. más eleado. Respecto al centrífugo, el compresor axial tiene la entaja de un rendimiento Cámara de combustión La cámara de combustión puede ser simple o múltiple. Las múltiples son siempre tubulares y las simples pueden ser tubulares y anulares. A su ez, todos estos tipos pueden ser de construcción horizontal o de construcción ertical. Las de construcción horizontal se montan encima o alrededor de la turbina; las de construcción ertical, al lado de la turbina. 0

14 Figura A.8.. Cámara de combustión tubular, de construcción horizontal, para turbina de gas []. Normalmente, en la primera mitad de la cámara de combustión se encuentra un inyector, que introduce el combustible a presión, pulerizado o en forma de gas. La inyección puede realizarse, según los tipos de turbinas, en el mismo sentido de la corriente de aire, o a contracorrientes. En las turbinas de gas empleadas en las centrales eléctricas se utilizan con más frecuencia las cámaras tubulares. Para terminar, podemos añadir que las cámaras múltiples tubulares se adaptan mejor a los compresores centrífugos, mientras que las simples anulares son más apropiadas para compresores axiales. Sistema de alimentación de combustible En las turbinas de gas hay que procurar siempre una buena combustión y, por lo tanto, una buena pulerización del combustible, con caudales de combustible inyectado muy ariables. Para ello se emplea el dispositio conocido como pulerizador de reflujo, representado esquemáticamente en la figura 4..

15 Figura A.8.. Pulerizador de reflujo para turbina de gas. A Conducto de entrada de combustible. V Cámara anterior de la torbera. Orificios de entrada de combustible a la cámara V. U orbera. R Orificios para reflujo de combustible []. El combustible bajo presión llega por el conducto A y entre en la cámara V, a traés de los orificios, que le imprimen un moimiento muy rápido. Parte del combustible sale pulerizado por la torbera U a la cámara de combustión, mientras que la parte restante uele al depósito, pasando a traés de los orificios R. Generalmente, el caudal que llega al inyector es constante y las ariaciones del caudal de combustible inyectado se efectúan ariando el caudal de reflujo mediante una álula intercalada en el conductor de retorno al depósito. urbina La turbina puede ser axial o radial, siendo la de tipo axial la más empleada para la producción de energía eléctrica.

16 Figura A.8.3. urbina axial elemental de gas. G Rotor. D Difusor []. La turbina axial está constituida por un estator y un rotor proistos, respectiamente, de paletas o alabes distribuidores o directrices D y de paletas o alabes motrices G. los gases calientes entran en D con cierta elocidad, y salen desiados con una elocidad mucho más alta. La energía cinética así obtenida y la que se obtiene al chocar los gases contra las paletas del rotor, es cedida bajo forma de energía mecánica al mismo rotor. Las turbinas axiales pueden ser turbinas de acción y turbinas de reacción. En las turbinas de acción, toda la energía de presión disponible en el gas se transforma en energía cinética en las paletas directrices; en las turbinas de reacción, una parte de la transformación de la energía de presión en energía cinética tiene lugar en las paletas motrices. Intercambiador de calor En las turbinas de gas, la temperatura del gas a la salida de la turbina es mayor que la del aire a la salida del compresor. Esta circunstancia puede ser 3

17 aproechada para mejorar el rendimiento de la turbina, interponiendo un intercambiador o regenerador que produzca un calentamiento del aire que se inyecta en la cámara de combustión, a expensas del calor contenido en los gases de escape. La construcción de estos regeneradores es bastante parecida a la de los radiadores normales; en ellos las corrientes calientes y frías están separadas por paredes conductoras, a traés de las cuales se realiza directamente el intercambio de calor. Refrigeradores El calor de compresión, así como el resto del calor de los gases que salen del cambiador, son eliminados en refrigeradores. Normalmente la superficie de intercambio de calor está formada por tubos de aletas helicoidales, recorridos por el agua de refrigeración. Estos se agrupan en haces amoibles y se montan en una enoltura, perpendicularmente a la corriente de aire. Órganos auxiliares de las turbinas de gas el encendedor. Los principales órganos auxiliares de una turbina son: el motor de arranque y El motor de arranque debe imprimir al rotor del compresor una elocidad de rotación correspondiente a una suficiente relación de compresión. La elocidad que debe alcanzarse antes de que la turbina comience a funcionar por si sola es aproximadamente de 0 a 30% de la elocidad máxima. El tipo de motor de arranque más utilizado es el motor eléctrico que, normalmente, esta acoplado al extremo del generador. Otras eces, se utilizan pequeños motores de explosión acoplados al rotor de la turbina solamente durante el periodo de arranque. 4

18 El encendedor es un órgano situado en el interior de la cámara de combustión, que sire para encender la llama durante el proceso de arranque. Generalmente está constituido por un inyector auxiliar situado de forma inclinada respecto al inyector principal, pero fuera del tubo de llama y accionado electromagnéticamente, y de una bujía de chispa, parecida a la utiliza en los motores de explosión. Cuando por medio del motor de arranque, la turbina ha alcanzado una elocidad oportuna, entra en función el inyector auxiliar cuyo chorro de combustible, encendido por la bujía incide sobre el chorro del inyector principal, encendiéndolo; el inyector principal recibe el combustible por medio de una bomba siempre unida a la turbina. Entre los demás órganos auxiliares de las turbinas de gas, podemos citar la bomba de alimentación de aceite lubricante. Como en una turbina a gas no hay partes deslizantes y el número de cojinetes es limitado, basta con un consumo de aceite muy pequeño. 5